Вычисление потенциалов межатомного взаимодействия в металлах при наличии ионизационных процессов, вызванных излучением
Объектом исследования является изменение межатомного взаимодействия в металлах при ионизации и возбуждении электронной подсистемы.
Цель работы – изучение взаимодействия заряженных частиц с твердотельными структурами с точки зрения анализа эффектов, остающихся в настоящее время недостаточно изученными, а именно, формы потенциалов межатомного взаимодействия металлов при ионизации атомов и возбуждении электронов проводимости в области треков быстрых заряженных частиц и в зоне релаксации возбужденных состояний.
На основе псевдопотенциального подхода проанализировано поведение потенциалов межатомного взаимодействия в алюминии в условиях возбуждения электронной подсистемы.
Введение ……………………………………………………………………………………………………… 12
1 Понятие о псевдопотенциале …………………………………………………………… 15
1.1 Основные положения метода псевдопотенциала ……………………………… 22
1.2 Получение констант псевдопотенциала на базе данных по
спектроскопии………………………………………………………………………35
2 Влияние ионизирующего излучения на межатомное взаимодействие в
металлах……………………………………………………………………………..39
2.1 Потенциалы межатомного взаимодействия в алюминии для различных
зарядовых состояний……………………………………………………………………………………. 42
2.2 Изменение межатомных сил при возбуждении электронной
подсистемы………………………………………………………………………….50
3 Обсуждение результатов ………………………………………………………………………… 60
4 Финансовый менеджмент, ресурсосбережение и ресурсоэффективность62
4.1 Оценка коммерческого потенциала и перспективности проведения
научных исследований с позиции ресурсоэффективности и ресурсосбережения63
4.1.1 Потенциальные потребители результатов исследования ………………….. 63
4.2 SWOT-анализ………………………………………………………………………………….. 64
4.3 Планирование научно-исследовательских работ ……………………………… 66
4.3.1 Структура работ в рамках научного исследования …………………………… 66
4.3.2 Определение трудоемкости выполнения работ ………………………………… 67
4.3.3 Разработка графика проведения исследования…………………………………. 68
4.4 Бюджет научно-технического исследования ……………………………………. 71
4.4.1 Расчет материальных затрат ……………………………………………………………. 72
4.4.2 Расчет амортизационных отчислений ……………………………………………… 73
4.5 Основная заработной платы и отчислений во внебюджетные фонды .. 74
4.5.1 Расчет общей себестоимости …………………………………………………………… 75
4.6 Оценка научно-технической эффективности исследования ……………… 76
5 Социальная ответственность …………………………………………………………… 79
5.1 Правовые и организационные вопросы обеспечения безопасности ….. 80
5.1.1 Специальные (характерные для рабочей зоны исследователя) правовые
нормы трудового законодательства ……………………………………………………………… 80
5.1.2 Организационные мероприятия при компоновке рабочей зоны
исследователя ……………………………………………………………………………………………… 81
5.2 Производственная безопасность ……………………………………………………… 83
5.3 Анализ опасных и вредных производственных факторов…………………. 84
5.3.1 Производственный шум ………………………………………………………………….. 85
5.3.2 Повышенное значение напряжения в электрической цепи ……………….. 87
5.3.3 Производственный микроклимат и его влияние на организм человека 89
5.3.4 Производственное освещение …………………………………………………………. 90
5.4 Экологическая безопасность …………………………………………………………… 94
5.5 Безопасность в чрезвычайных ситуациях ………………………………………… 94
Заключение …………………………………………………………………………………………………. 98
Список используемой литературы ……………………………………………………………… 100
Приложение A …………………………………………………………………………………………… 104
Приложение B ……………………………………………………………………………………………. 119
Пучки заряженных частиц и плазма нашли широкое применение в задачах
технологической обработки различных материалов и изделий. В настоящее время
накоплен большой опыт по структурно-фазовому модифицированию
поверхности, её очистке путём распыления или травления, нанесению покрытий,
улучшающих физико-химические свойства материалов и во многих других
областях.
Непрерывно появляются новые виды оборудования, которые постепенно
расширяют наши возможности. В последние десятилетия достигнуты большие
успехи в генерации мощных наносекундных пучков, позволивших обеспечить
высокую мощность энерговыделения и совершенно новые возможности для
радиационных и плазменных технологий. Успех в решении практически любой
технологической задачи зависит от того, насколько хорошо мы понимаем
механизмы взаимодействия заряженных частиц и плазмы с твёрдым телом.
Несмотря на большие достижения в этой области, есть много вопросов, которые
нуждаются в более детальной проработке.
Например, слабо изученной, но в то же время весьма важной в научном
плане, является задача, связанная с поведением металлических структур в
условиях воздействия излучения большой мощности. Здесь происходят, в
частности, такие явления, как изменение межатомных потенциалов при
ионизации ионных остовов и возбуждении свободного электронного газа.
Наличие в металле двух взаимосвязанных подсистем – ионной и электронной –
приводит к тому, что последовательное рассмотрение процессов диссипации
энергии весьма сложно так как взаимодействие плазмы и пучков заряженных
частиц с ионной и электронной подсистемами происходит по различным законам.
Кроме того, в процессе взаимодействия осуществляется перекачка энергии от
одной подсистемы к другой. В этой связи далеко не всегда энергия, теряемая
частицей в какой-либо области вещества, трансформируется, а тепловую в той же
области, что также усложняет задачу.
Прямое экспериментальное исследование изменения формы потенциалов
межатомного взаимодействия при ионизации и возбуждении электронов
проводимости не представляется возможным в силу высокой скорости релаксации
и микроскопических размеров зоны существования этих состояний.
Возбужденные состояния электронов могут передаваться на значительные
расстояния, приводя к изменению формы потенциалов межатомных
взаимодействий через изменение экранирующих свойств среды. Усиление
экранирования может уменьшать равновесное расстояние между атомами в
металле, что проявится в снижении порога смещения атомов из положения
равновесия, изменении упругих характеристик среды, усилении диффузионных
процессов, отразится на развитии каскадов атомных столкновений. Для этого
необходимо знать, как влияет возбуждение электронной подсистемы на
межатомное взаимодействие.
Ионизация, напротив, может вызвать уменьшение глубины потенциальной
ямы и увеличение равновесного расстояния между атомами, что приведет к
распылению поверхности по механизму «кулоновского взрыва», изменению
параметров дефектной структуры и т.д. Поэтому надо вычислить потенциалы
взаимодействия между ионами различной зарядности.
Указанные выше проблемы определяют актуальность темы магистерской
диссертации, связанной с исследованием воздействия пучков заряженных частиц
на твердотельные структуры.
Таким образом, целью исследования является изучение взаимодействия
заряженных частиц с твердотельными структурами с точки зрения анализа
эффектов, остающихся в настоящее время недостаточно изученными, а именно,
формы потенциалов межатомного взаимодействия металлов при ионизации
атомов и возбуждении электронов проводимости в области треков быстрых
заряженных частиц и в зоне релаксации возбужденных состояний.
Для этого необходимо решить следующие задачи:
1. На основе метода псевдоптенциалов разработать методику расчета
потенциалов межатомного взаимодействия для металлов в условиях ионизации.
2. Вычислить потенциалы взаимодействия между ионами различной
зарядности и при повышении концентрации электронов проводимости.
Объект исследования – изменение межатомного взаимодействия в
металлах при ионизации и возбуждении электронной подсистемы, а предмет
исследования – разработка метода расчёта потенциалов взаимодействия,
учитывающего вышеперечисленные эффекты.
Положение, выносимое на защиту:
При ионизации и возбуждении электронов проводимости в металлах
существенно изменяется форма потенциалов межатомного взаимодействия,
конкретный вид которых можно вычислить методом псевдопотенциалов.
Изменение потенциалов межатомного взаимодействия под действием излучения
влияет на развитие каскадных процессов и может приводить к распылению
поверхности вследствие появления сил отталкивания между атомами.
Научная новизна заключается в следующем:
1. На базе псевдопотенциального подхода с использованием метода
квантовых дефектов был разработан новый способ расчета потенциалов
межатомного взаимодействия в металлах при наличии ионизированных
состояний.
2. Найдены потенциалы взаимодействия для атомов с различной степенью
ионизации и в условиях возбуждения свободного электронного газа.
Практическая ценность работы заключается в следующем:
1. На базе разработанного метода расчета потенциалов взаимодействия при
наличии ионизированных состояний появляется возможность вычисления их для
различных металлов и сплавов.
2. Полученные в работе потенциалы межатомного взаимодействия могут
быть использованы для молекулярно-динамического моделирования
радиационных процессов в металлах и сплавах.
В настоящее время активно ведутся работы по воздействию мощных
импульсных потоков ионизирующего излучения на различные материалы и
изделия. Процесс прохождения ионизирующего излучения, несущего через
материю большое количество энергии, оставляет свой след в виде изменений
структуры материи. В частности, в области диапазона быстро заряженных частиц
и вблизи поверхности твердого тела атомы ионизируются, при интенсивном
облучении и потенциалы межатомного взаимодействия меняются, этим
обстоятельством невольно пренебрегают, что приводит к снижению точности
вычислений. Для изучения поведения материи, частично или полностью
ионизированной, необходимо знать потенциалы межатомного взаимодействия.
В настоящее время изучению такой возможности не уделяется должного
внимания, так как потенциалы взаимодействия, обычно используемые в
машинных моделях, не учитывают изменения свойств твердого тела в условиях
облучения. В этой связи требуется метод, позволяющий рассчитывать потенциалы
«из первых принципов» с учетом изменения свойств твердотельных структур под
действием излучения. Метод, предсказывающий конфигурацию валентных
электронов, который может многое сказать о тех свойствах вещества, которые
зависят от межатомных связей. Этот метод называется метод псевдопотенциала.
Метод псевдопотенциала рассматривает электроны атомного остова и атомное
ядро как некую единую частицу без внутренней структуры. Он был главным
теоретическим методом исследования свойств поверхностей твердых тел. На
поверхностях и границах упорядоченная картина связей существенно нарушается,
и возникающее в результате этого перераспределение плотности электронного
заряда может оказывать влияние на связи между атомами на глубине в несколько
атомных слоев внутри вещества. Ими также были теоретически объяснены
свойства границ между металлами и полупроводниками и между двумя
полупроводниками.
Хотя в данной работе сделан упор на практическое применение метода,
тем не менее изложены по возможности без излишних подробностей и
математического обоснования основные положения метода, рассмотрели
различные факторы, влияющие на точность вычислений, и только затем перешли
к расчетам потенциалов взаимодействия в реальных расплавах.
Таким образом, на основе метода квантовых дефектов был разработан
способ расчета параметров псевдопотенциального формфактора для
дополнительных ионизированных ионных ядер. На примере алюминия
рассчитываются параметры формфактора Хейне-Абаренкова-Анималу, а на его
основе получаются парные потенциалы межатомного взаимодействия.
Установлено, что в отличие от атома в нормальном заряженном и
ионизированном состоянии глубина первого минимума в потенциальной функции
уменьшается. Кроме того, в паре ионизированных частиц первый минимум
потенциальной функции полностью исчезает, заставляя их падать в
отталкивающую ветвь.
Поведение потенциалов межатомного взаимодействия в алюминии в
условиях возбуждения электронной подсистемы анализируется на основе
псевдопотенциального подхода. При этом локальное увеличение концентрации
электронов проводимости вызывает «размягчение» кристаллической решетки. На
этот случай тоже рассчитываются потенциалы межатомного взаимодействия.
Получены уравнения состояния для металлов в присутствии
дополнительных ионизированных атомов. В частности, встречаются изобары для
различных концентраций дополнительных ионизированных состояний.
Изменения потенциалов межатомного взаимодействия, вызванные
потоками плазмы и ионизирующего излучения, могут вызывать распыление
поверхности в районе дорожки быстро заряженной частицы.
Последние выполненные заказы
Хочешь уникальную работу?
Больше 3 000 экспертов уже готовы начать работу над твоим проектом!
4.2 (6 отзывов)
4.9 (298 отзывов)
4.8 (37 отзывов)
4.6 (30 отзывов)
4.8 (2878 отзывов)
4.2 (25 отзывов)
5 (21 отзыв)
4.9 (37 отзывов)
4.2 (5 отзывов)
